[논문 리뷰] Muon $g-2$ in a two-Higgs-doublet model with a type-II seesaw mechanism

Chuan-Hung Chen, Cheng-Wei Chiang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Computational Physics and Python Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 힉스 두중체 모형에 유형-II 시우 메커니즘을 도입하여 뮤온 $g-2$ 이질현상을 설명하면서도 힉스 신호 강도 제약 조건을 만족시키는 모형을 제안한다. 두 번째 순서의 바르-츠 다이어그램을 통해 질량이 큰 힉스 삼중체가 상당한 진공 기대값(Vacuum Expectation Value, VEV)을 가지면 $a_\mu$에 큰 기여를 할 수 있으며, 이는 $\mathcal{O}(100)$ GeV 스케일에서의 새로운 물리학을 가능하게 하면서도 경량의 이국 스칼라를 요구하지 않으며, 이중적으로 양전하인 힉스 보손의 새로운 붕괴 패턴을 예측한다. 이는 새로운 LHC 탐색 전략이 필요하다.

ABSTRACT

We study the two-Higgs-doublet model with type-II seesaw mechanism. In view of constraints from the Higgs data, we consider the aligned two-Higgs-doublet scheme and its effects on muon anomalous magnetic dipole moment, $a_μ$, including both one-loop and two-loop Barr-Zee type diagrams. Thanks to a sizable trilinear scalar coupling, the Barr-Zee type diagrams mediated by the Higgs triplet fields have a dominant effect on $a_μ$. In particular, unlike the usual two-Higgs-doublet models that require exotic Higgs bosons light in mass, the masses of the corresponding particles in the model are of ${\cal O}(100)$~GeV. The doubly-charged Higgs boson presents a different decay pattern from the usual Higgs triplet model and thus calls for a new collider search strategy, such as multi-$τ$ searches at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 확장된 스칼라 섹터를 통해 오랫동안 지속된 뮤온 비례 자기모멘트($a_\mu$)의 $3.7\sigma$ 이질현상을 해결하기 위해.
• LHC에서의 힉스 신호 강도 제약 조건을 엄격히 만족시키면서도 $\mathcal{O}(100)$ GeV 스케일에서 새로운 물리학을 허용하는 모형을 구축하기 위해.
• 히iggs 삼중체를 통한 레프톤 수반 위반 쿠퍼링을 통해 자연스럽게 경량 중성미오 질량을 생성하는 유형-II 시우 메커니즘을 통합하기 위해.
• 이국 스칼라를 요구하지 않고도 큰 $a_\mu$ 기여를 생성하는 삼중항 스칼라 결합과 고리 수준 기여의 역할을 탐색하기 위해.
• 특히 이중적으로 양전하인 힉스 보손에 대한 새로운 콜리더 서명을 규명하여 기존의 LHC 제약 조건을 피하고 새로운 탐색 전략이 필요로 하는지를 확인하기 위해.

제안 방법

• 한 개의 물리적 힉스 보손이 SM 유사성을 띠는 정렬된 두 개의 힉스 두중체 체계(A2HDS)를 채택하여, 힉스 신호 데이터와의 호환성을 확보한다.
• 유형-II 시우 메커니즘을 구현하기 위해 복소 힉스 삼중체를 도입하여, 레프톤 수반 위반 쿠플링을 통해 중성미오의 메이저라 마스를 생성한다.
• 히iggs 삼중체와 중성 및 이온 힉스 상태를 포함한 한 번째 순서 및 두 번째 순서의 바르-츠 다이어그램을 계산하여 $a_\mu$에 대한 기여를 집중적으로 분석한다.
• 히iggs 기저에서의 스칼라 포텐셜에서 중성 힉스 보손($h$, $H$)과 이온 힉스 상태($\delta^{\pm\pm}$, $\delta^{\pm}$, $H^{\pm}$) 사이의 삼중항 결합을 유도한다.
• 질량 관계와 혼합 패턴을 사용하여 $h$와 $H$ 상태가 $v_\Delta$에 대해 주로 1차 항에서 $\delta^0$ 상태로부터 분리됨을 보여주어 분석을 단순화한다.
• 히iggs 삼중체의 질량 스펙트럼과 붕괴 패턴을 분석하여, 특히 이중적으로 양전하인 힉스 보손의 경우 다중-$\tau$ 최종 상태와 같은 새로운 LHC 탐색 채널을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유형-II 시우 메커니즘을 가진 두 개의 힉스 두중체 모형이 LHC 힉스 신호 데이터와 일치하면서도 충분히 큰 $a_\mu$ 기여를 생성할 수 있는가?
• RQ2 새로운 스칼라 질량이 $\mathcal{O}(100)$ GeV일 때, 힉스 삼중체를 포함한 두 번째 순서 바르-츠 다이어그램이 $a_\mu$를 어떻게 증폭시키는가?
• RQ3 히iggs 삼중체 부문에 다수의 레프톤 수반 위반 매개변수가 존재할 경우, 진공 기대값(VEV)과 그에 따른 현상학적 특성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 이 모형에서 이중적으로 양전하인 힉스 보손의 특징적인 붕괴 패턴은 무엇이며, 기존의 표준 힉스 삼중체 모형과 어떻게 다를까?
• RQ5 이 모형은 이중적으로 양전하인 힉스 보손에 대한 기존의 LHC 제약 조건, 특히 쌍생성에 의한 350 GeV 한계를 어떻게 피할 수 있으며, 어떤 새로운 탐색 전략이 필요한가?

주요 결과

• 히iggs 삼중체 필드를 통해 매개되는 두 번째 순서 바르-츠 다이어그램이 $a_\mu$에 대한 기여를 지배적으로 차지하며, 더 무거운 중성 힉스 보손이 $\mathcal{O}(100)$ GeV일지라도 큰 이심을 유도할 수 있다.
• 삼중체의 VEV에 의해 증폭되는 상당한 삼중항 결합 덕분에 이 모형은 $a_\mu$에 중요한 기여를 한다.
• 기존의 2HDM가 10 GeV 이하의 이국 스칼라를 요구하는 데 반해, 이 모형은 $\mathcal{O}(100)$ GeV 스케일에서의 새로운 물리학을 허용하며, LHC의 힉스 신호 강도 제약 조건을 만족시킨다.
• 이 모형에서 이중적으로 양전하인 힉스 보손은 표준 힉스 삼중체 모형보다 더 풍부한 붕괴 패턴을 가지며, $\tau\tau$, $\tau\mu$, $\tau e$ 최종 상태를 포함한 붕괴 경로를 가진다.
• 이중적으로 양전하인 힉스 보손이 경량의 이온 힉스 보손을 포함한 붕괴를 允허함으로써 현재 ATLAS의 350 GeV 한계를 우회하며, LHC에서 다중-$\tau$ 최종 상태와 같은 새로운 탐색 전략이 필요로 한다.
• 삼중항 결합 $\lambda_{h\delta^{--}\delta^{++}} = \Lambda_8$, $\lambda_{H\delta^{-}\delta^{+}} = -\Lambda_{12} - \frac{\Lambda'_{12}}{2}$, 및 $\lambda_{hH^{-}H^{+}} = \Lambda_3$ 는 고리 유도 $a_\mu$ 기여의 핵심이며, 힉스 기저에서의 스칼라 포텐셜로부터 유도된다.